Luận văn: Nghiên cứu khí động đàn hồi và hiệu suất pin mặt trời silicon

Nghiên cứu ảnh hưởng của khí động đàn hồi đến hiệu suất pin năng lượng mặt trời silicon. Luận văn phân tích và đưa ra kết quả thực nghiệm chi tiết.

• Tác giả: Đào Xuân Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Dinh Tấn Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Khí Động Đàn Hồi Tới Hiệu Suất Pin Năng Lượng Mặt Trời Dạng Silicon
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và nguyên lý khí động đàn hồi

Khí động đàn hồi là hiện tượng tương tác phức tạp giữa lực khí động, độ đàn hồi của cấu trúc và quán tính của vật liệu. Trong lĩnh vực pin mặt trời, hiện tượng này có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động. Khi pin mặt trời phơi nhiễm với dòng không khí, cánh pin có thể bị rung động, làm thay đổi hướng tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Sự rung động này gây ra sự biến thiên trong hiệu suất năng lượng của pin. Nghiên cứu về ảnh hưởng của khí động đàn hồi giúp tối ưu hóa thiết kế pin, đảm bảo ổn định và hiệu quả cao hơn trong các điều kiện môi trường thực tế.

1.1. Định nghĩa khí động đàn hồi

Khí động đàn hồi (flutter) là sự dao động tương tác giữa lực khí động và độ đàn hồi của cấu trúc. Hiện tượng này xảy ra khi dòng không khí tác động lên bề mặt pin, gây ra sự rung động không kiểm soát. Hiệu suất pin mặt trời bị ảnh hưởng trực tiếp bởi góc tới của ánh sáng, vì vậy khí động đàn hồi là yếu tố quan trọng cần nghiên cứu để cải thiện hiệu năng.

1.2. Lịch sử và phát triển nghiên cứu

Nghiên cứu khí động đàn hồi bắt đầu từ lĩnh vực hàng không. Luận văn thạc sĩ từ Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2017 của Đào Xuân Tùng là một bước đột phá trong việc ứng dụng kiến thức này cho pin năng lượng mặt trời dạng silicon. Các nghiên cứu này mở ra hướng mới cho thiết kế pin mặt trời bền vững.

II. Tác động của khí động đàn hồi đến hiệu suất pin mặt trời

Hiệu suất pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó khí động đàn hồi đóng vai trò quan trọng. Khi pin bị rung động do khí động, góc tiếp xúc với ánh sáng thay đổi, dẫn đến sự dao động trong công suất điện sinh ra. Ngoài ra, khí động đàn hồi còn ảnh hưởng đến độ bền cơ học của pin. Các pin mặt trời chịu ảnh hưởng của khí động đàn hồi lâu dài sẽ có nguy cơ hỏng hóc cao hơn. Khảo sát thực nghiệm trên mô hình pin cho thấy sự giảm hiệu suất năng lượng lên tới 15-20% trong điều kiện gió mạnh. Do đó, việc tối ưu hóa thiết kế để giảm khí động đàn hồi là cấp thiết.

2.1. Sự thay đổi hiệu suất do rung động

Khi pin mặt trời rung động, dòng điện và điện áp sinh ra biến đổi không ổn định. Sự biến động này trực tiếp ảnh hưởng đến công suất pin. Thực nghiệm cho thấy tần số rung động cao gây suy giảm hiệu suất đáng kể, đặc biệt ở tần số cộng hưởng. Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa tần số rung và hiệu suất giúp cải thiện thiết kế pin.

2.2. Ảnh hưởng đến độ bền cơ học

Khí động đàn hồi gây ra ứng suất lặp lại trên cấu trúc pin, làm giảm độ bền của vật liệu silicon. Mô hình thực nghiệm được xây dựng để đánh giá tác động này. Kết quả cho thấy pin chịu khí động đàn hồi liên tục sẽ có tuổi thọ giảm 30-40% so với điều kiện bình thường. Thiết kế chống khí động đàn hồi là yêu cầu kỹ thuật quan trọng.

III. Mô hình thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Để hiểu rõ ảnh hưởng của khí động đàn hồi đến hiệu suất pin mặt trời, các nhà khoa học xây dựng mô hình thực tế mô phỏng điều kiện hoạt động thực tế. Mô hình thực nghiệm bao gồm cánh pin silicon được lắp đặt trong ống khí động, nơi có thể kiểm soát tốc độ gió. Tại mỗi tốc độ gió khác nhau, các thông số như điện áp, dòng điện và công suất được đo lường. Phương pháp mô phỏng số sử dụng mô hình k-epsilon được áp dụng để phân tích khí động. Dữ liệu thu được giúp xác định mối quan hệ giữa tốc độ gió và hiệu suất pin. Kết quả cho thấy hiệu suất giảm theo hàm bậc hai của tốc độ gió.

3.1. Thiết kế mô hình thực nghiệm

Mô hình được thiết kế dựa trên pin mặt trời silicon thực tế với kích thước thu nhỏ. Cánh pin được lắp đặt với góc tiếp xúc tối ưu ban đầu là 90 độ với dòng không khí. Lưới động được tạo ra để mô phỏng khí động chính xác. Các thông số vật liệu được chọn phù hợp với pin thực tế để đảm bảo tính chính xác của kết quả thực nghiệm.

3.2. Quy trình đo lường và phân tích

Mạch chuyển đổi tín hiệu kết nối các cảm biến đo điện áp và dòng điện của pin. Ống khí động cung cấp dòng không khí với tốc độ từ 2 đến 15 m/s. Tại mỗi mức tốc độ gió, dữ liệu được ghi lại và tính toán công suất. Đồ thị được vẽ để so sánh hiệu suất ở các điều kiện khác nhau, giúp xác định ảnh hưởng của khí động đàn hồi.

IV. Giải pháp tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời chống khí động đàn hồi

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có nhiều giải pháp để giảm ảnh hưởng của khí động đàn hồi và nâng cao hiệu suất pin mặt trời. Thứ nhất, thiết kế cấu trúc pin với độ cứng cao hơn giúp giảm rung động. Thứ hai, sử dụng vật liệu chống đàn hồi để hấp thụ năng lượng rung động. Thứ ba, tối ưu hóa hình dạng cánh để giảm lực khí động tác động. Thứ tư, lắp đặt các vây chặn gió giúp ổn định dòng không khí. Những giải pháp này kết hợp với nhau có thể tăng hiệu suất pin mặt trời thêm 10-15% trong điều kiện gió mạnh. Các pin mặt trời trang bị công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các khu vực có tốc độ gió cao.

4.1. Thiết kế cấu trúc cải tiến

Tăng độ cứng torsional của cánh pin giảm tần số tự nhiên rung và tránh cộng hưởng. Sử dụng vật liệu composite kết hợp có tính chất đàn hồi tốt hơn. Hình dạng cánh được tối ưu để giảm hệ số cản khí động. Các sợi gia cường được sắp xếp theo hướng chịu lực chính. Thiết kế này giúp pin có thể chịu khí động mạnh hơn mà vẫn duy trì hiệu suất cao.

4.2. Ứng dụng thực tế và triển vọng

Các pin mặt trời được cải tiến có thể ứng dụng trong hàng không và năng lượng gió. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng phát triển pin năng lượng mặt trời thế hệ mới với hiệu suất cao hơn. Việc kết hợp công nghệ khí động và pin mặt trời tạo nên những hệ thống năng lượng tái tạo hiệu quả cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1I và chuyển nội đung "Xây dụng mnô hình thực tế" từ chương TĨ sang chương TIE - Thống nhất sử dụng một tên duy nhất cho cùng một khải niệm: dùng "flutter" thay thẻ "(loitement" khi nhắc tới khái niệm khí dong dan hồi. Ngày 20 tháng 03 năm 2017 Giáo viên hướng đẫn. Tác giả luận văn TS. Dinh Tấn Hưng Tào Xuân Tùng CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TS.

Vũ Quốc Huy Hinh 2.11 Chất lượng lưới miền không gian .12 Thông số vật liệu mâ hình cánh Linh 2.13 Bê mặt tiếp xúc mô hình với miền không gian.14 Vị trí cố định mô hình.15 Mé hinh réi k-epsilon.16 Thiết lập lưới động.17 Vùng lưới động. Hình 2,18 Thông số phân tích.10 Dữ liệu kết nỗi module.20 Tiên hành mô phỏng.1 Kết cấu 2 mô hình thực nghiệm Tầnh 3.2 Diện tich ghép pin.3 Phương thức ghép pìn.4 Mê tình thực nghiệm hoàn chỉnh Hình 3.5 Hiệu ứng quang diện.6 Bong đền sợi đất, Zink 3.7 Bong den Halogen.8 Bóng đèn huỳnh quang.9 Hóng đèn Ilalogen 10001F. TIANH MỤC BẰNG BIẾU Bang 1.1 Ung dụng năng lượng mặt trời, Bảng 1.2 Quá trình phái triển máy bay năng lượng mặi trời.1 Thông số chỉ tiết pin mặt trời.1 Kịch thước và kết cầu mô hình thực tế .2 Điện áp(E) pin mô hình 1.3 Dong dién() pin mé hinh 1.4 Công suất pin mồ hình 1.3 Diện áp (E) pin mô hình 2 Bảng 3.6 Dòng điện (4) păn mô hành 2 Bảng 3.7 Công suất pin mô hình 2. TIANH MỤC BẰNG BIẾU Bang 1.1 Ung dụng năng lượng mặt trời, Bảng 1.2 Quá trình phái triển máy bay năng lượng mặi trời.1 Thông số chỉ tiết pin mặt trời.1 Kịch thước và kết cầu mô hình thực tế .2 Điện áp(E) pin mô hình 1.3 Dong dién() pin mé hinh 1.4 Công suất pin mồ hình 1.3 Diện áp (E) pin mô hình 2 Bảng 3.6 Dòng điện (4) păn mô hành 2 Bảng 3.7 Công suất pin mô hình 2.

TIANH MỤC BẰNG BIẾU Bang 1.1 Ung dụng năng lượng mặt trời, Bảng 1.2 Quá trình phái triển máy bay năng lượng mặi trời.1 Thông số chỉ tiết pin mặt trời.1 Kịch thước và kết cầu mô hình thực tế .2 Điện áp(E) pin mô hình 1.3 Dong dién() pin mé hinh 1.4 Công suất pin mồ hình 1.3 Diện áp (E) pin mô hình 2 Bảng 3.6 Dòng điện (4) păn mô hành 2 Bảng 3.7 Công suất pin mô hình 2. DANH MUC HiNH VE Hinh 1.2 Pin mặt Hỏi.3 Cấu trúc pin mặt trời mới Hình 1.4 Nguyên Wi hoat dong pin mat trot Hình 1.5 Logi pin mit trei.7 La nhdn tao .2 Pim mặt trời đơn tình thể silieon.3 Kich thuoe pin.4 Mê tả mô hình cánh thực nghiệm Hình 2.3 Sơ đê kết nỗi module.6 Miền không gian khảo sát.7Chia lưới bà mặt mô hình cánh.8 Chất lượng chia lưới bÊ mặt.9 Chia lưới miễn không gian khí động.10 Mật độ lưới luới tại bỀ mặi tiếp xúc mô hình cánh. MỤC LỤC DANH MỤC HÏNH VẼ DANII MỤC BẰNG BIÖU.- THUẬT NGỮ VIET TẤT TOM TAT NOL DUNG LUAN VAN ABSTRACT OF THESIS LỎI MÔ DẦU. GIGI THIBU CHUNG.

11 Tổng quan về năng lượng mặt trời vã pin mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trơi,.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời.3 Ứng đụng răng lượng mặt trời trong hàng không, 11.4 Pin mặt trời 11.5 Nguyênlý hoạt động.6 Phân loại pin mặt trời 1.2 Khải quát về khí động đản hỏi.ịch sử của khí động đản hỏi 1. Lịch sử hiện tượng khí động đán hồi uốn-xoắn cảnh.3 Phân loại và băn chất chung của các hiện tượng Khí động đản hồi 1.1 Các hiện tượng Khi động đàn hỏi tĩnh.2 Các liện tượng Khứ động đàn hội động, 31 CHUONG LL CHUAN BI CHO QUA TRINU THUC NGHLEM. dd TI] Lara chon các thông số co ban 33 Hinh 3.10 Mach chuyén adi tin hiệu Hình 3.12 Mé hinh trong ống khí động.13:Dé thi dién ap/van lốc mô lành 1.14 Dê thị dòng điện bận téc mé hinh 1. Hình 3,15 Đô thị công suẫt/vận tắc mô hình 1 „.16 Đồ thị điện áp“uận tắc mô hình 2.

Hình 3,17 Đề thị dòng điệnAbận tốc mô hình 2.18 Đồ thị công suất/ vận tốc mô hình 2. LOT CAM DOAN Téi — Pao Xuân Tùng, học viên lớp Cao học 16AMTK.CLC Trường Đại học Bach Khoa Hả Nội _ cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tồi đưới sự hướng dẫn của TS. Dinh Tẩn Hưng — an Nghiên cửu Công nghệ Không gian và Dưới nước — Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cáo số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bắt kỳ công trình nào khảo TTác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của tỉnh.

là Mội, ngày 20 tháng 03 năm 2017 Tác giả Đàa Xuân Tùng Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của luận văn tốt nghiệp và cho phép bảo vệ Hà Nội, ngày 20 thắng 03 năm 2017 Giang viên hướng đẫn. Đinh Tân Hưng DANH MUC HiNH VE Hinh 1.2 Pin mặt Hỏi.3 Cấu trúc pin mặt trời mới Hình 1.4 Nguyên Wi hoat dong pin mat trot Hình 1.5 Logi pin mit trei.7 La nhdn tao .2 Pim mặt trời đơn tình thể silieon.3 Kich thuoe pin.4 Mê tả mô hình cánh thực nghiệm Hình 2.3 Sơ đê kết nỗi module.6 Miền không gian khảo sát.7Chia lưới bà mặt mô hình cánh.8 Chất lượng chia lưới bÊ mặt.9 Chia lưới miễn không gian khí động.10 Mật độ lưới luới tại bỀ mặi tiếp xúc mô hình cánh. DANH MUC HiNH VE Hinh 1.2 Pin mặt Hỏi.3 Cấu trúc pin mặt trời mới Hình 1.4 Nguyên Wi hoat dong pin mat trot Hình 1.5 Logi pin mit trei.7 La nhdn tao .2 Pim mặt trời đơn tình thể silieon.3 Kich thuoe pin.4 Mê tả mô hình cánh thực nghiệm Hình 2.3 Sơ đê kết nỗi module.6 Miền không gian khảo sát.7Chia lưới bà mặt mô hình cánh.8 Chất lượng chia lưới bÊ mặt.9 Chia lưới miễn không gian khí động.10 Mật độ lưới luới tại bỀ mặi tiếp xúc mô hình cánh.10 Mach chuyén adi tin hiệu Hình 3.12 Mé hinh trong ống khí động.13:Dé thi dién ap/van lốc mô lành 1.14 Dê thị dòng điện bận téc mé hinh 1. Hình 3,15 Đô thị công suẫt/vận tắc mô hình 1 „.16 Đồ thị điện áp“uận tắc mô hình 2.

Hình 3,17 Đề thị dòng điệnAbận tốc mô hình 2.18 Đồ thị công suất/ vận tốc mô hình 2. MỤC LỤC DANH MỤC HÏNH VẼ DANII MỤC BẰNG BIÖU.- THUẬT NGỮ VIET TẤT TOM TAT NOL DUNG LUAN VAN ABSTRACT OF THESIS LỎI MÔ DẦU. GIGI THIBU CHUNG. 11 Tổng quan về năng lượng mặt trời vã pin mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trơi,.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời.3 Ứng đụng răng lượng mặt trời trong hàng không, 11.4 Pin mặt trời 11.5 Nguyênlý hoạt động.6 Phân loại pin mặt trời 1.2 Khải quát về khí động đản hỏi.ịch sử của khí động đản hỏi 1.

Lịch sử hiện tượng khí động đán hồi uốn-xoắn cảnh.3 Phân loại và băn chất chung của các hiện tượng Khí động đản hồi 1.1 Các hiện tượng Khi động đàn hỏi tĩnh.2 Các liện tượng Khứ động đàn hội động, 31 CHUONG LL CHUAN BI CHO QUA TRINU THUC NGHLEM. dd TI] Lara chon các thông số co ban 33 1L2 Lựa chọn pin mặt trời. or 1L3 Mô phêng trong môi trường Ansys Workbench 13.1 Mục dịch và phương pháp mồ phỏng .2 Tiên hành mô phỏng và kết quả mô phông 1.1 Xây dựng mô hình tính toán và chia lưới. Thiết lập cáo thông số tính toán 11.3 Tiến hành mô phỏng và kết quá AS CHUONG IT.

THUC NGHTEM VA KET QUA THUC NGHTEM. 46 LL} Mue dich thực nghiệm. series Ab TH.3 Xây dựng mô hình thực tế 46 TI.3 Các trang thiếtbị hỗ trợ.1 Nguồn sáng nhân tạo. Mạch chuyển đổi tín hiện TH.4 Tiền hành thực nghiệm và kết quả TAI LIBU THAM KHẢO Hinh 3.10 Mach chuyén adi tin hiệu Hình 3.12 Mé hinh trong ống khí động.13:Dé thi dién ap/van lốc mô lành 1.14 Dê thị dòng điện bận téc mé hinh 1.

Hình 3,15 Đô thị công suẫt/vận tắc mô hình 1 „.16 Đồ thị điện áp“uận tắc mô hình 2. Hình 3,17 Đề thị dòng điệnAbận tốc mô hình 2.18 Đồ thị công suất/ vận tốc mô hình 2.11 Chất lượng lưới miền không gian .12 Thông số vật liệu mâ hình cánh Linh 2.13 Bê mặt tiếp xúc mô hình với miền không gian.14 Vị trí cố định mô hình.15 Mé hinh réi k-epsilon.16 Thiết lập lưới động.17 Vùng lưới động. Hình 2,18 Thông số phân tích.10 Dữ liệu kết nỗi module.20 Tiên hành mô phỏng.1 Kết cấu 2 mô hình thực nghiệm Tầnh 3.2 Diện tich ghép pin.3 Phương thức ghép pìn.4 Mê tình thực nghiệm hoàn chỉnh Hình 3.5 Hiệu ứng quang diện.6 Bong đền sợi đất, Zink 3.7 Bong den Halogen.8 Bóng đèn huỳnh quang.9 Hóng đèn Ilalogen 10001F. MỤC LỤC DANH MỤC HÏNH VẼ DANII MỤC BẰNG BIÖU.- THUẬT NGỮ VIET TẤT TOM TAT NOL DUNG LUAN VAN ABSTRACT OF THESIS LỎI MÔ DẦU.

GIGI THIBU CHUNG. 11 Tổng quan về năng lượng mặt trời vã pin mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trơi,.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời.3 Ứng đụng răng lượng mặt trời trong hàng không, 11.4 Pin mặt trời 11.5 Nguyênlý hoạt động.6 Phân loại pin mặt trời 1.2 Khải quát về khí động đản hỏi.ịch sử của khí động đản hỏi 1. Lịch sử hiện tượng khí động đán hồi uốn-xoắn cảnh.3 Phân loại và băn chất chung của các hiện tượng Khí động đản hồi 1.1 Các hiện tượng Khi động đàn hỏi tĩnh.2 Các liện tượng Khứ động đàn hội động, 31 CHUONG LL CHUAN BI CHO QUA TRINU THUC NGHLEM. dd TI] Lara chon các thông số co ban 33 MỤC LỤC DANH MỤC HÏNH VẼ DANII MỤC BẰNG BIÖU.- THUẬT NGỮ VIET TẤT TOM TAT NOL DUNG LUAN VAN ABSTRACT OF THESIS LỎI MÔ DẦU.

GIGI THIBU CHUNG. 11 Tổng quan về năng lượng mặt trời vã pin mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trơi,.2 Ứng dụng của năng lượng mặt trời.3 Ứng đụng răng lượng mặt trời trong hàng không, 11.4 Pin mặt trời 11.5 Nguyênlý hoạt động.6 Phân loại pin mặt trời 1.2 Khải quát về khí động đản hỏi.ịch sử của khí động đản hỏi 1. Lịch sử hiện tượng khí động đán hồi uốn-xoắn cảnh.3 Phân loại và băn chất chung của các hiện tượng Khí động đản hồi 1.1 Các hiện tượng Khi động đàn hỏi tĩnh.2 Các liện tượng Khứ động đàn hội động, 31 CHUONG LL CHUAN BI CHO QUA TRINU THUC NGHLEM. dd TI] Lara chon các thông số co ban 33 LOT CAM DOAN Téi — Pao Xuân Tùng, học viên lớp Cao học 16AMTK.CLC Trường Đại học Bach Khoa Hả Nội _ cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tồi đưới sự hướng dẫn của TS.

Dinh Tẩn Hưng — an Nghiên cửu Công nghệ Không gian và Dưới nước — Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cáo số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bắt kỳ công trình nào khảo TTác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của tỉnh.